玉米秸稈對(duì)雞糞厭氧發(fā)酵過(guò)程及酶活性的影響規(guī)律研究

王立闖，郝嬌，李延吉，馮磊，李旭

（1.沈陽(yáng)光大環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆|寧沈陽(yáng) 110078；2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110136）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)飲食的要求也日益提高，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中高品位商品的需求量逐漸增加，使得我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)模不斷擴(kuò)大。由于我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)，畜禽養(yǎng)殖業(yè)逐漸向生產(chǎn)集約化、規(guī)?；较虬l(fā)展，然而畜禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了巨大的影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年我國(guó)的畜禽糞便產(chǎn)量達(dá)到了28.02億t[1]，[2]，但僅有部分畜禽糞便得到了有效處理，未經(jīng)處理的畜禽糞便的排放量不斷增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了生態(tài)環(huán)境的承載力，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染[3]。厭氧發(fā)酵技術(shù)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)畜禽糞便減量化、資源化和無(wú)害化的重要處理方式，厭氧發(fā)酵反應(yīng)主要分為3個(gè)階段，即水解酸化階段、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段和產(chǎn)甲烷階段。有機(jī)物在水解酸化階段被水解酸化細(xì)菌群轉(zhuǎn)化為小分子有機(jī)物，然后經(jīng)過(guò)產(chǎn)氫和產(chǎn)乙酸細(xì)菌群將小分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸等物質(zhì)，最后再由產(chǎn)甲烷菌利用揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)生CH4。將雞糞進(jìn)行厭氧發(fā)酵，不僅可以降低其對(duì)環(huán)境造成的污染，還可以產(chǎn)生清潔能源CH4，產(chǎn)生的沼渣還可以當(dāng)作肥料，從而真正做到將雞糞轉(zhuǎn)變?yōu)樯镔|(zhì)資源。但由于雞糞的C/N比較低，在單獨(dú)厭氧發(fā)酵過(guò)程中容易產(chǎn)生酸化現(xiàn)象，降低了厭氧發(fā)酵的反應(yīng)效率，所以如何高效地利用雞糞進(jìn)行厭氧發(fā)酵已成為科研人員研究的主要問題。

發(fā)酵底物的C/N是影響厭氧發(fā)酵過(guò)程的關(guān)鍵因素，對(duì)厭氧發(fā)酵的產(chǎn)酸具有重要影響[4]。劉和[5]研究污泥初始C/N對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸類型的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，C/N不同會(huì)形成不同的產(chǎn)酸代謝途徑，當(dāng)C/N約為12時(shí)，形成的是乙酸型發(fā)酵；當(dāng)C/N約為56時(shí)，形成的是丙酸型發(fā)酵；當(dāng)C/N約為156時(shí)，形成的是丁酸型發(fā)酵。李海紅[6]利用PCRDGGE（聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)-變性梯度凝膠電泳）技術(shù)研究了不同原料發(fā)酵體系的微生物多樣性變化情況。羅娟[7]研究了不同混合比例的糞便與秸稈在厭氧消化過(guò)程中的膨脹特性，研究結(jié)果表明，干物質(zhì)含量越高，膨脹系數(shù)越大。矯云陽(yáng)[8]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，稻草與糞便混合后的發(fā)酵啟動(dòng)效果優(yōu)于單獨(dú)糞便。

本研究以雞糞厭氧發(fā)酵工程化為目的，探究玉米秸稈的添加對(duì)雞糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的影響，旨在提高厭氧發(fā)酵效率和產(chǎn)甲烷效率，縮短反應(yīng)周期，為日后的工程化提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用新鮮雞糞取自北票市某肉食雞養(yǎng)雞場(chǎng)，所用玉米秸稈取自沈北新區(qū)周邊農(nóng)村。玉米秸稈經(jīng)過(guò)粉碎、研磨和篩選，使其粒徑處于60目以下。接種污泥取自沈陽(yáng)北部污水處理廠的濃縮池，取回后馴化48 h。實(shí)驗(yàn)原料及接種污泥的性質(zhì)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)原料及接種污泥的性質(zhì)Table 1 Properties of experimental materials and inoculated sludge

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

序批式厭氧發(fā)酵反應(yīng)裝置主要由恒溫水浴箱、厭氧消化反應(yīng)器、沼氣收集設(shè)備、排水收集設(shè)備和連接導(dǎo)管組成（圖1）。各裝置相連接組成密封式反應(yīng)裝置，其中厭氧消化反應(yīng)器、沼氣收集設(shè)備和排水收集設(shè)備均由有效容積為1 L的廣口瓶構(gòu)成，整個(gè)小型厭氧發(fā)酵反應(yīng)系統(tǒng)的氣密性經(jīng)過(guò)嚴(yán)格控制，以保證其厭氧環(huán)境。實(shí)驗(yàn)初始向厭氧消化反應(yīng)器中添加60 g實(shí)驗(yàn)物料和200 mL接種污泥，并用去離子水定容到1 000 mL，發(fā)酵溫度控制在37±0.2℃。實(shí)驗(yàn)設(shè)置純雞糞組和玉米秸稈添加組（玉米秸稈的VS占物料總VS的10%），各組實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果取3次實(shí)驗(yàn)平均值。

圖1 序批式厭氧消化反應(yīng)裝置Fig.1 Sequencing batch anaerobic digestion reaction device

1.3 檢測(cè)方法

采用排水法測(cè)量沼氣產(chǎn)量；利用PHB-4便攜式pH計(jì)測(cè)量pH值；采用重鉻酸鉀法測(cè)量COD濃度；采用納氏試劑分光光度法測(cè)量氨氮濃度；采用甲烷濃度分析儀檢測(cè)甲烷濃度；利用比色法測(cè)量揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）濃度；采用rayto RT-6100酶標(biāo)儀測(cè)定酶活。

2 結(jié)果與討論

2.1 累計(jì)產(chǎn)氣量/產(chǎn)甲烷量的Gompertz模型預(yù)測(cè)

修正的Gompertz模型[式（1）]能夠有效擬合出厭氧發(fā)酵過(guò)程中累計(jì)產(chǎn)氣量/產(chǎn)甲烷量（以單位質(zhì)量的VS計(jì)）的變化。

式中：y為x時(shí)刻的累計(jì)產(chǎn)氣量/產(chǎn)甲烷量，mL/g；a為最終產(chǎn)氣量/產(chǎn)甲烷量，mL/g；Rm為最大產(chǎn)氣速率/產(chǎn)甲烷速率，mL/（g·d）；x為反應(yīng)時(shí)間，d；λ為延滯期，d。

表2對(duì)比了純雞糞組和玉米秸稈添加組的實(shí)際產(chǎn)氣量/產(chǎn)甲烷量、預(yù)測(cè)產(chǎn)氣量/產(chǎn)甲烷量以及甲烷濃度的變化。

表2 預(yù)測(cè)產(chǎn)氣量/產(chǎn)甲烷量與實(shí)際值的對(duì)比Table 2 Comparison of predicted gas production/methane production with actual values

由表2可以看出：兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組的平均甲烷濃度均在55%以上，且玉米秸稈添加組的甲烷濃度要高于純雞糞組；兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組的實(shí)際產(chǎn)氣量/產(chǎn)甲烷量與預(yù)測(cè)產(chǎn)氣量/產(chǎn)甲烷量差別并不大，說(shuō)明兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組的實(shí)際產(chǎn)氣量/產(chǎn)甲烷量均符合修正的Gompertz模型，可以利用此模型對(duì)日后的實(shí)際沼氣工程提供一定的理論指導(dǎo)。由表2還可以看出，玉米秸稈添加組的實(shí)際產(chǎn)氣量為340.70 mL/g，實(shí)際產(chǎn)甲烷量為208.25 mL/g，純雞糞組的實(shí)際產(chǎn)氣量為301.62 mL/g，實(shí)際產(chǎn)甲烷量為172.59 mL/g，少量秸稈的添加使玉米秸稈添加組的產(chǎn)氣量提高了12.96%，產(chǎn)甲烷量提高了20.66%，說(shuō)明少量秸稈的添加能夠提高厭氧發(fā)酵的反應(yīng)效率，提高產(chǎn)甲烷濃度。

2.2 pH值與VFAs濃度的變化情況

pH值與VFAs濃度均為厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中的重要監(jiān)測(cè)指標(biāo)，可以通過(guò)其變化來(lái)判斷厭氧發(fā)酵過(guò)程的水解酸化速率、產(chǎn)甲烷菌降解效率以及反應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定程度并及時(shí)做出調(diào)控[9]，[10]。圖2反映了純雞糞組與玉米秸稈添加組pH值和VFAs濃度的變化趨勢(shì)。

圖2 不同實(shí)驗(yàn)組的pH值與VFAs濃度的變化情況Fig.2 Changes of pH value and VFAs concentration in different experimental groups

從圖2可以看出，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組的pH值均呈現(xiàn)出“下降-上升-平穩(wěn)”的變化趨勢(shì)。這是因?yàn)?，在反?yīng)初期，厭氧發(fā)酵系統(tǒng)處于水解酸化階段，雞糞中的大分子有機(jī)物在微生物分泌的胞外酶的作用下分解為單糖、氨基酸和揮發(fā)性脂肪酸等小分子有機(jī)物，并產(chǎn)生大量游離的H+，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的pH值下降[11]；隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，產(chǎn)甲烷菌逐漸適應(yīng)了環(huán)境并大量繁殖，開始利用系統(tǒng)中游離的H+和VFAs合成CH4和CO2，使得系統(tǒng)的pH值逐漸上升并趨于穩(wěn)定。從圖2還可以看出，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組的VFAs濃度均呈現(xiàn)出先升高后下降的變化趨勢(shì)，與pH值的變化正好相反。這是因?yàn)?，?shí)驗(yàn)初期主要發(fā)生水解酸化反應(yīng)，此時(shí)產(chǎn)甲烷菌未能完全適應(yīng)環(huán)境，產(chǎn)甲烷效率較低，對(duì)VFAs的利用率小于產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌群的產(chǎn)酸效率，從而導(dǎo)致發(fā)酵系統(tǒng)中的VFAs不斷積累，濃度不斷上升，與此同時(shí)，系統(tǒng)的pH值逐漸降低。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，純雞糞組和玉米秸稈添加組的VFAs濃度分別在第16天和第13天達(dá)到峰值，峰值分別為4.61，5.68 mg/mL。由此可以看出，少量玉米秸稈的添加能夠提高VFAs的產(chǎn)出速率，原因可能是C/N對(duì)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的影響符合一般的生物反應(yīng)規(guī)律[11]，在適宜的C/N條件下，水解酸化細(xì)菌的活性會(huì)隨著C/N的升高而逐漸增強(qiáng)。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，系統(tǒng)的pH值逐漸升高，對(duì)應(yīng)的VFAs濃度不斷降低并趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)殡S著產(chǎn)甲烷菌的不斷增殖和富集，其對(duì)VFAs和H+的利用速率快速上升。在實(shí)驗(yàn)后期，隨著系統(tǒng)pH值的升高，產(chǎn)甲烷菌對(duì)VFAs的利用效率與水解酸化細(xì)菌的產(chǎn)酸效率達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，從而使系統(tǒng)的VFAs濃度逐漸趨于穩(wěn)定。綜上可知，少量秸稈的添加能夠促進(jìn)VFAs的產(chǎn)生并提高厭氧發(fā)酵的反應(yīng)效率，縮短厭氧發(fā)酵的反應(yīng)周期。

2.3 日產(chǎn)氣量與氨氮濃度的變化情況

在厭氧發(fā)酵過(guò)程中，氨氮主要以游離氨（NH3）和銨根離子（NH4+）的形式存在。在厭氧發(fā)酵過(guò)程中，適宜濃度的氨氮可以作為細(xì)胞所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)為菌群的生長(zhǎng)提供能量，但是，如果氨氮濃度過(guò)高，氨氮就會(huì)通過(guò)被動(dòng)運(yùn)輸?shù)男问竭M(jìn)入微生物細(xì)胞膜中影響細(xì)胞內(nèi)部質(zhì)子和鉀離子的平衡，抑制厭氧微生物活性，阻礙酶的合成并抑制甲烷的產(chǎn)生，從而造成氨抑制現(xiàn)象[12]。

圖3反映了純雞糞組和玉米秸稈添加組的日產(chǎn)氣量和氨氮濃度的變化情況。從圖3可以看出：兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組的氨氮濃度均低于1 000 mg/L，不會(huì)對(duì)厭氧微生物造成較為明顯的拮抗作用[13]；在實(shí)驗(yàn)初期，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組的氨氮濃度均處于較低水平，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，系統(tǒng)水解產(chǎn)生氨氮的速率遠(yuǎn)大于氨氮的消耗速率，使得系統(tǒng)中的氨氮濃度大幅上升，純雞糞組和玉米秸稈添加組的氨氮濃度分別在第16天和第13天達(dá)到峰值762.85，713.60 mg/L。從圖3還可以看出，氨氮濃度與日產(chǎn)氣量呈現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著產(chǎn)甲烷菌活性的逐漸增強(qiáng)和相對(duì)豐度的逐漸增加，產(chǎn)甲烷菌將消化液中的氨氮作為合成自身細(xì)胞的氮源，使得反應(yīng)系統(tǒng)中的氨氮濃度逐漸下降，產(chǎn)甲烷量逐漸上升。純雞糞組和玉米秸稈添加組的日產(chǎn)氣量的變化趨勢(shì)大致相同，均為前兩天產(chǎn)氣較多，隨后由于污泥馴化時(shí)間較短以及整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)的pH值較低，厭氧消化進(jìn)入漫長(zhǎng)的延滯期，產(chǎn)氣效果較差；隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，微生物各菌群的活性逐漸恢復(fù)，產(chǎn)氣也有所恢復(fù)并在實(shí)驗(yàn)后期達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)氨氮的消耗速率大于產(chǎn)生速率。厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中的氨氮濃度也是維持厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)，將氨氮濃度控制在適宜的范圍內(nèi)對(duì)提高厭氧消化效率和甲烷產(chǎn)率有著關(guān)鍵作用。

圖3 各實(shí)驗(yàn)組的日產(chǎn)氣量與氨氮濃度的變化情況Fig.3 Changes of daily gas production and ammonia nitrogen concentration in each experimental group

2.4 COD濃度與酶活性的變化情況

COD濃度的變化直接反映了厭氧消化系統(tǒng)中溶解性有機(jī)物含量的變化，可根據(jù)COD濃度判斷厭氧消化反應(yīng)器的運(yùn)行狀態(tài)[14]，而水解酸化細(xì)菌分泌的胞外酶能夠進(jìn)一步分解系統(tǒng)中的溶解性有機(jī)物，以供給自身細(xì)胞的生長(zhǎng)代謝需求。因此，本文研究了純雞糞組和玉米秸稈添加組的COD濃度以及主要水解酶的活性變化情況，結(jié)果見圖4，5。由圖4可以看出，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組的COD濃度均呈現(xiàn)出先上升后下降再略微上升的變化趨勢(shì)。這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)初始階段存在較長(zhǎng)的延滯期，此時(shí)厭氧微生物對(duì)有機(jī)物的利用效率低于有機(jī)物的溶解效率，導(dǎo)致兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組的COD濃度均呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，在此之后，不同種類的水解細(xì)菌逐漸適應(yīng)新環(huán)境而大量增殖，由此消耗大量的有機(jī)物，使兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組的COD濃度均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。

圖4 純雞糞組和玉米秸稈添加組的COD濃度變化情況Fig.4 Changes of COD concentration in pure chicken manure group and straw addition group

由圖5可以看出：純雞糞組的纖維素酶和半纖維素酶的酶活性峰值分別為189.44 IU/mL和311.61 mIU/L，玉米秸稈添加組的纖維素酶和半纖維素酶的酶活性峰值分別為238.70 IU/mL和320.31 mIU/L；純雞糞組的蛋白酶和淀粉酶的酶活性峰值分別為106.81，277.00 IU/L，玉米秸稈添加組的蛋白酶和淀粉酶的酶活性峰值分別為111.03，318.73 IU/L。

圖5 純雞糞組和玉米秸稈添加組主要水解酶的活性變化情況Fig.5 Changes of main hydrolase activities in pure chicken manure group and straw addition group

由圖5還可以看出，在實(shí)驗(yàn)前中期，玉米秸稈添加組中各水解細(xì)菌分泌的胞外酶的活性較高，各水解酶的酶活達(dá)到峰值的時(shí)間也較純雞糞組提前8～10 d，這是因?yàn)?，與純雞糞組相比，玉米秸稈添加組的C/N較高，營(yíng)養(yǎng)更豐富。這也說(shuō)明少量玉米秸稈的添加有利于提高各水解酶的酶活，從而促進(jìn)有機(jī)物的分解。在實(shí)驗(yàn)后期，玉米秸稈添加組的蛋白酶和淀粉酶的酶活率先開始降低，說(shuō)明玉米秸稈添加組的蛋白質(zhì)和淀粉等有機(jī)物消耗殆盡，酶活性開始降低，由此也可以看出，玉米秸稈的添加縮短了厭氧發(fā)酵的反應(yīng)周期，加快了厭氧發(fā)酵反應(yīng)的啟動(dòng)速度。整體來(lái)說(shuō)，雞糞的C/N為9.765，不適于微生物的生長(zhǎng)，而玉米秸稈的C/N為57.038，在雞糞的發(fā)酵過(guò)程中添加少量的玉米秸稈有助于調(diào)節(jié)C/N，調(diào)節(jié)微生物的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)，從而提高產(chǎn)氣效率，但玉米秸稈過(guò)多又會(huì)延長(zhǎng)發(fā)酵周期，降低厭氧發(fā)酵的速率。所以少量玉米秸稈的添加會(huì)促進(jìn)不同種類酶活性的提高，適當(dāng)提高C/N，能夠有效促進(jìn)雞糞的厭氧發(fā)酵，提高厭氧發(fā)酵效率。

3 結(jié)論

①玉米秸稈添加組的實(shí)際產(chǎn)氣量為340.70 mL/g，實(shí)際產(chǎn)甲烷量為208.25 mL/g；純雞糞組的實(shí)際產(chǎn)氣量為301.62 mL/g，實(shí)際產(chǎn)甲烷量為172.59 mL/g；與純雞糞組相比，玉米秸稈添加組的產(chǎn)氣量提高了12.96%，產(chǎn)甲烷量提高了20.66%；兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組的實(shí)際產(chǎn)氣量/產(chǎn)甲烷量均符合修正的Gompertz模型。

②純雞糞組和玉米秸稈添加組的VFAs濃度分別在第16天和第13天達(dá)到峰值，峰值分別為4.61，5.68 mg/mL，少量玉米秸稈的添加能夠提高VFAs的產(chǎn)出速率；氨氮濃度與日產(chǎn)氣量呈現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組的氨氮濃度均低于1 000 mg/L，不會(huì)對(duì)厭氧微生物造成較為明顯的拮抗作用。

③純雞糞組的纖維素酶、半纖維素酶、蛋白酶和淀粉酶的酶活最大值分別為189.44 IU/mL，311.61 mIU/L，106.81 IU/L和277.00 IU/L；玉米秸稈添加組的纖維素酶、半纖維素酶、蛋白酶和淀粉酶的酶活最大值分別為238.70 IU/mL，320.31 mIU/L，111.03 IU/L和318.73 IU/L，少量玉米秸稈的添加有利于提高各水解酶的酶活，從而促進(jìn)有機(jī)物的分解。